Superhårdt kulstofmateriale kan knække diamant

(PhysOrg.com) -- Ved at lægge ekstremt pres på for at komprimere og flade kulstofnanorør, Forskere har opdaget, at de kan skabe en ny kulstofpolymer, som simuleringer viser, er svær nok til at knække diamant. Den trykinducerede dannelsesproces af den nye kulstofallotrop, kaldet Cco-C ₈ , ligner 3D-polymerisationen af ​​den fodbold-lignende buckminsterfulleren, C ₆₀ , ved højtryk. Når kulstofnanorørbundtet udsættes for yderligere komprimering, det bliver endnu mere forvrænget og fladt for at producere Cco-C ₈ struktur.

Forskerne, ledet af professor Yongjun Tian fra State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology ved Yanshan University i Qinhuangdao, Kina, har offentliggjort deres undersøgelse om det nye superhårde kulstof i et nyligt nummer af Fysiske anmeldelsesbreve . ¹

"Stjernemateriale kulstof findes i forskellige arkitekturer på grund af dets evne til at danne sp-, sp ² -, og sp ³ - hybridiserede bindinger, foster grafit, diamant, lonsdaleite, karabin, chaoite, amorft kulstof, nanorør, fullerener, grafen, og så videre, ” fortalte Tian PhysOrg.com . "Disse kulstofallotroper har enestående og uovertrufne egenskaber, samt unik videnskabelig og teknologisk betydning, sådan, at søgning efter nye kulstofallotroper længe har været et varmt emne i videnskabelige forskningsmiljøer. Den største betydning af dette arbejde ligger i den nye strategi med direkte at komprimere kulstof nanorør bundter for at designe og syntetisere nye metastabile kulstof allotroper. Denne strategi indebærer, at nogle metastabile faser af kulstof med højere energi også kan opnås eksperimentelt."

Som forskerne forklarer, at påføre tryk på nogle af disse kulstofallotroper kan ændre bindingerne, resulterer i forskellige former for kulstof med nye elektroniske og mekaniske egenskaber.

I stedet for eksperimentelt at søge efter nye kulstofallotroper, forskerne her brugte en nyligt udviklet teknik kaldet Crystal Structure Analysis by Particle Swarm Optimization (CALYPSO). Denne computeriserede søgning blev designet til at forudsige stabile krystalstrukturer ved kun at bruge kemiske sammensætninger af en given forbindelse ved specificerede eksterne forhold, såsom tryk.

CALYPSO-simuleringerne gav først adskillige kulstofstrukturer, der allerede er eksperimentelt kendt (såsom grafit og diamant) eller teoretisk foreslået (såsom chiral C ₆ ). Simuleringerne afslørede derefter romanen Cco-C ₈ allotrop, en 3D-polymer sammensat af tynde (2, 2) kulstof nanorør forbundet gennem 4- og 6-leddet kulstofringe, som opstår på grund af dannelsen af ​​yderligere bindinger mellem kulstofatomer.

Simuleringerne viste, at Cco-C ₈ har en Vickers hårdhed på 95,1 GPa, hvilket er lidt under diamantens 97,5 GPa. Selvom der er flere måder at måle hårdheden af ​​et materiale på, Vickers hårdhed er en af ​​de mest almindelige metoder. I denne metode, en skarp genstand komprimeres til et materiale, og dimensionerne af den resulterende fordybning måles.

"Hårdhed er blevet brugt som en af ​​de makroskopiske mekaniske egenskaber ved materialer i omkring tre århundreder, ” forklarede Tian. "Normalt, hårdhed kan defineres makroskopisk som et materiales evne til at modstå at blive ridset eller bulet af et andet. For nylig, vi definerede hårdhed mikroskopisk som den kombinerede modstand af kemiske bindinger i en krystal mod fordybning." ²

Selvom Cco-C ₈ har en Vickers hårdhed lidt under diamantens, forskerne forudser, at Cco-C ₈ bør være hård nok til at ridse og knække diamant. Som Tian forklarer, dette er fordi Cco-C ₈ 's trykstyrke er højere end diamantens forskydningsstyrke.

"Den mekaniske styrke eller ideelle styrke af et materiale afhænger af belastningstilstandene for trækstyrke, forskydning og kompression, " sagde han. “F.eks. både trækstyrken og forskydningsstyrken for diamant er omkring 90 GPa, mens dens trykstyrke er op til 223 GPa. Hvis den tvinges ind i overfladen af ​​en enkelt diamantkrystal, Cco-C ₈ da en indenter hovedsageligt er i en komprimeret tilstand, de kemiske bindinger af diamant under indrykket modstår trykdeformation, og bindingerne omkring indenteren modstår forskydningsdeformation. Selvom Cco-C ₈ har lidt lavere hårdhed end diamant, trykstyrken af ​​Cco-C ₈ bør være meget højere end diamantens forskydningsstyrke. Når spændingen i forskydningsdeformationszonen overstiger diamantens forskydningsstyrke, der dannes en fordybning. Med andre ord, Cco-C ₈ er i stand til at knække diamant."

Cco-C ₈ måske ikke for svært at syntetisere i fremtiden. Simuleringerne viste, at Cco-C ₈ er meget stabil; den nye kulstofallotrop er energimæssigt mere gunstig end næsten alle andre teoretiske kulstofstrukturer. Også, simuleringerne tyder på, at Cco-C ₈ kan syntetiseres ved direkte at komprimere kulstof nanorør bundter på samme måde som syntetisering af 3D C ₆₀ polymerer.

Faktisk, Cco-C ₈ kan allerede være blevet syntetiseret ubevidst. Tidligere eksperimenter med kold kompression af kulstof nanorør bundter gav en ny fase af kulstof, der oprindeligt blev identificeret som P-62c. Imidlertid, Tian og hans medforfattere mener, at strukturen var mere sandsynlig Cco-C ₈ .

Ud over, forskerne forventer, at andre nye kulstofmaterialer med unikke fysiske egenskaber kan dannes ved lignende kompressionsteknikker ved at bruge forskellige størrelser nanorør eller andre kulstofstrukturer. De planlægger at søge efter disse materialer i fremtiden.

"For det første vi vil bruge denne strategi til at designe flere nye kulstofallotroper, især ledende superhårde carboner med delvist sp ² -hybridiserede C-C-bindinger (i krystalstrukturen af ​​Cco-C ₈ , hvert carbonatom er sp ³ -hybridiseret), " sagde Tian. "For det andet, vi vil forsøge at syntetisere disse designede kulstofmaterialer ved hjælp af kulstofnanorørbundter ved højt tryk og høj temperatur."

Han tilføjede, at Cco-C ₈ kunne have applikationer i områder, hvor diamant har været brugt som et superhårdt materiale. Og hvis CALYPSO-søgningen opdager ledende superhårde kulstofmaterialer, de kunne have potentielle anvendelser i elektroniske enheder.

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.